Лабораторная работа №10. Испытание однофазного трансформатора в режиме холостого хода, короткого замыкания под нагрузкой

Лабораторная работа №10. Испытание однофазного трансформатора в режиме холостого хода, короткого замыкания под нагрузкой

 

Цели и задачи:

1. Изучение принципа действия и методов испытания однофазного трансформатора, определение его основных параметров.

 

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, предна­значенный для преобразования переменного тока одного напряжения в другое напряжение той же частоты.

Трансформаторы делятся по назначению на силовые, специальные, измерительные и радиотехнические. К силовым относятся трансформа­торы, передающие потребителю электрическую энергию, к специаль­ным - сварочные и выпрямительные, к измерительным - трансформато­ры тока и напряжения, служащие для подключения электроизмеритель­ных приборов, к радиотехническим - маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на повышенной частоте. Кроме того, по числу фаз трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфаз­ные и по способу охлаждения - на масляные, сухие и с твердым напол­нителем. По числу обмоток трансформаторы делятся на двухобмоточ­ные и многообмоточные.

Изображение однофазного двухобмоточного трансформатора на электрической схеме приведено на рис. 9.1.

 

2. УСТРОЙСТВО ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА И ПРИНЦИП ЕГО ДЕЙСТВИЯ

Трансформатор состоит из замкнутого сердечника (магнитопрово­да), и двух (или большего числа) обмоток (рис. 9.2). Обмотка, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной. Дру­гая обмотка, к которой присоединяются приемники энергии, называется вторичной. Все величины, относящиеся к первичной обмотке, отме­чаются индексом 1 (например P₁, U₁, I₁, r₁ и т.д.), а величины, относя­щиеся к вторичной обмотке, - индексом 2 (например P₂, U₂ и т.д.).

Трансформатор является обратимым аппаратом, т.е. в качестве первичной обмотки может быть любая из обмоток трансформатора. Наматывается обмотка трансформатора медным изолированным прово­дом с дополнительной изоляцией между слоями.

Магнитопровод (железный сердечник) набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака или окалины для уменьшения потерь на гистерезис и от вихревых токов. Часть магнитопровода, на котором располагается обмотка, называется стержнем, а часть, замыкающая стержни, ярмом. По своему устрой­ству магнитопровод подразделяется на Л-образный и Ш-образный.

Принцип работы трансформатора основан на принципе электро­магнитной индукции Фарадея

 

При подаче переменного синусоидального напряжения U₁ на пер­вичную обмотку трансформатора по этой обмотке пойдет ток I1, кото­рый создает в ферромагнитном сердечнике переменное магнитное поле. Появляющийся при этом магнитный поток изменяется также по гармо­ническому закону

Магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику (магнитопро­воду), пронизывает витки первичной и вторичной обмоток. По закону электромагнитной индукции (9.1) поток Ф индуктирует в каждом витке обмоток э.д.с.

Разделительные трансформаторы применяются в радиотехнике для электрического разделения цепей (гальванической развязки цепей), т.к. в трансформаторе первичная и вторичная цепи связаны только магнитной связью.

Использование трансформатора связано с неизбежными потерями электрической энергии. Различают два вида потерь в трансформаторе: потери на нагревание обмоток при прохождении по ним переменного тока, получившие название потери в меди (Р_М - мощность потерь в меди), и потери в стальном сердечнике, связанные с гистерезисом и вихревыми токами, получившие название потери в стали (Р_СТ -мощность потерь в стали).

В работе трансформатора можно выделить три режима:

1) режим холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута;

2) режим короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута;

3) рабочий режим (работа под нагрузкой).

3.1. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА

При этом режиме на первичную обмотку трансформатора подается номинальное напряжение U_iH (согласно паспорту трансформа­тора), а вторичная обмотка разомкнута, т.е. трансформатор работает без нагрузки. Амперметр PAj показывает ток холостого хода I₁₀ = 0. Вольт­метр PV₂ во вторичной цепи показывает напряжение вторичной обмотки

Ввиду малости тока, протекающего в первичной обмотке, потери мощности в первичной катушке составляют не более одного процента от номинальной мощности трансформатора. Поэтому потери мощности в первичной и вторичной обмотке можно принять равными нулю P_j0 ~ 0, Р₂ = 0. Следовательно, в режиме холостого хода потери мощности наблюдаются только в магнитопроводе и связаны с перемагничиванием железа и вихревыми токами в магнитопроводе. Ваттметр PW показыва­ет мощность потерь в сердечнике трансформатора: P_j0 = Р_СТ, которые составляют (0,3—1,4) % от номинальной мощности трансформатора.

Рис. 9.4. Схема испытания трансформатора в режиме холостого хода

 

При холостом ходе, пренебрегая падением напряжения на первич­ной обмотке трансформатора, Е₁ ~ U_j, Е₂ = U₂. В этом случае коэффици­ент трансформации К

_{k =} El = El~Eio.                                                    (9 9)

и₂ е₂ и₂₀                                                        ^v '

Таким образом, в опыте холостого хода определяются коэффици­ент трансформации, магнитный поток Ф_т и магнитные потери в магни­топроводе.

3.2. РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Режим короткого замыкания для трансформатора является аварийным, т.к. при закорачивании вторичной обмотки U₂ = и_2КЗ. = 0, Z_H = 0 и ток в первичной обмотке будет в 15-20 раз больше номинального рабочего режима.

Поэтому опыт короткого замыкания производят только с

целью определения параметров первичной и вторичной обмоток при пониженном напряжении на первичной обмотке: ^и1к.з. << U 1Н Опыт производят при условии протекания по первичной и вторич­ной обмотке трансформатора номинальных токов: I_1K3 = I_1H, I_2K3 = I_2H. Напряжение короткого замыкания для первичной обмотки задается в процентах от номинального напряжения U_1K3 = (U_1K.₃/U_1H)H00 % и со­ставляет примерно 5 % трансформаторов с масляным охлаждением и 2-2,5 % для трансформаторов с воздушным охлаждением.

Схема опыта короткого замыкания приведена на рис. 9.5.

Потери в стали магнитопровода будут стремиться к нулю: Поэтому мощность при коротком замыкании рассеивается только в обмотках трансформатора и идет на нагрев меди в них

.

РАБОЧИЙ РЕЖИМ

В этом режиме к первичной обмотке трансформатора подводится номинальное напряжение U_1H, а ко вторичной обмотке подключается сопротивление нагрузки Z. При номинальной нагрузке I₂ = I_2H, напряже­ние U₂ = U_2H и по первичной цепи протекает номинальный ток I_1H.

Свойства трансформатора при работе под нагрузкой могут быть определены непосредственным его испытанием. Однако такое опреде­ление имеет определенные недостатки: необходимо нагрузочное обору­дование и потребляется много электроэнергии. Все рабочие свойства трансформатора можно определить по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. На производство опытов холостого хода и корот­кого замыкания тратится сравнительно мало электрической энергии, при этом отпадает потребность в громоздком нагрузочном оборудова­нии и результаты получаются очень точные.

При исследовании работы трансформатора для упрощения и наглядности расчетов применяют различные методы: метод схемы за­мещения, метод векторных диаграмм, метод построения и анализа ха­рактеристик трансформатора в разных режимах.